某校區水源熱泵系統進行供暖經濟性分析

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    摘要：本文針對東北某學院新校區的具體條件，給出其適用的水源熱泵系統形式，對其采用地下水水源熱泵進行供暖的經濟性進行了分析，將地下水水源熱泵+風機盤管系統的初投資和運行費用折算成供暖成本與傳統的燃煤區域鍋爐房+散熱器系統進行了對比，得出了使用地源熱泵供暖也并非一定經濟的結論，并提出了采用地下水源熱泵進行供暖需要注意的一些問題。

    關鍵詞：地下水 水源熱泵 地源熱泵 供暖經濟分析

    一、概況

    某學院新校區位于東北某市高新技術產業區內，規劃用地3200畝，建筑面積60余萬平方米，分兩期實施。其中一期占地1600畝，建筑面積35萬平方米，包括教室、實驗樓、圖書館、行政辦公樓等多種建筑。依照當地規劃部門的意見，考慮環保要求，擬采用地下水水源熱泵系統進行供暖和供冷。地下水水源熱泵系統是地源熱泵系統中的一種，是以地下水作為冷熱源的供暖供冷系統。由于其環保性和節能性，近期在國內外都得到了大力推廣和應用。由于采用地下水水源熱泵系統進行供暖供冷在當前沿是一項較新的技術，建筑方特委托我方對該工程采用水源熱泵系統的可行性進行分析。本文重點介紹了對該工程采用地下水水源熱泵系統進行供暖的經濟性。

    二、當地的水文地質狀況和能源狀況

    建設方委托當地地質工程勘察院落對工程所在地進行了實地勘查，并鉆控了觀察進和試驗井，對當地地下水的水溫，含水層分布，出水量以及回洪量等參數進行了試驗研究，給出了水文地質報告和地下水水質分析報告。根據上述報告，當地地下水水溫為9.2-10℃，水質較好，符合熱泵機組的用水要求；當地地下水平均年下降速率為0.18m/a，有效含水層平均厚度為34米；在適當的井群設計下，建議采用Φ500的井管，在井深50米的情況下，每口井的出水量為5000m3/d，回灌水量為1800m3/d。

    由于該校區所在地市政設施沿不完善，熱力管網和燃氣管網均未敷設到位。能源主要以煤礦和電為主，除地熱能外，w*現實和被允許的供暖方式只有采用區域鍋爐房+散熱器的方式。

    根據甲方提供數據，該地區電價按照0.69元/度計算，燃煤按照250元/噸計算，暫不執行分時電價政策。

    三、地下水水源熱泵系統的確定

    就地下水的運行方式而言，地下水水源熱泵系統分為兩種，一種為直接式系統，另一種則為間接式系統，它們的區別主要在于地下水是直接引入熱泵機組還是地下水不直接進入機組，而是通過板式換熱器通過小溫差換熱的方式運行將熱量傳遞給熱泵機組。直接式系統能讓地下水的熱量得到充分利用，但地下水的品質直接影響到水源熱泵機組的壽命；間接式系統雖然可以用廉價的板式換熱器保護了昂貴的水源熱泵機組，但由于存在換熱溫差，不能充分利用地下水熱量和溫度。

    就系統末端裝置的形式而言，地下水水源熱泵系統又分為集中的大型水-水水源熱泵機組+風機盤管和分散的水-空氣水源熱泵機組形式。從投資上看，大型水-水水源熱泵機組+風機盤管的系統形式是一種更為集中的空調方式，國內已有生產，由于機組較為集中。因此水源熱泵機組初投資較小，但熱泵機組需要在建筑中設置專用的機房，水-空氣水源熱泵系統相對分散，目前成熟產品主要為國外品牌，機組初投資略高；從運行上來看，由于水水-水水源熱泵機組的能量調節只能分有限的級數進行，而且要同時供冷熱就必須采用四管制，因此比較適合于作息時間比較統一，負荷比較一致的場合；水-空氣水源熱泵機組自帶溫控器，可以根據使用要求進行獨立的調節和運行，還可以在兩管制的情況下實現四管制才有的同進供暖供冷的功能，但由于壓縮機集成在機組內部，有一定的噪音問題，因此比較適合作息時間多樣化且使用要求也比較多樣但噪音要求不太嚴格的商用和公用建筑。

    針對以上系統特點，如果本工程采用間接式系統，由于當地地下水水溫冬季僅有9℃左右，熱泵機組的出水溫度可能在3℃以下，為避免凍結的危險有必要在循環水種添加防凍劑。由于當地地下水符合熱泵機組的用水要求，為避免循環水中添加防凍液，由此帶來的一系列的運行、設計和管理難題，在做好除砂過濾和除氧防府工作（僅限于物理處理）的前提下，該系統采用直接式系統。同時，考慮到學校用房的作息時間和使用功能都比較單一，一般整棟建筑的使用都是同步的，且學校教室對噪音要求較嚴，同時綜合考慮造價因素，決定本工程選用直接式地下水水-水熱泵機組+風機盤管（或空調箱）的系統形式。

    在上述系統形式下，計算得到供暖所需理論地下水流量為2874m3/h。根據水文地質報告和的需水量，計算得到所需供水井為14眼，回灌井數量為38眼。z*終設計井群為：供水井17眼（含3眼備用井），回灌井43眼（含5眼備用井）。
    

    四、經濟分析

    考慮以學校地處東北，供冷時間較短，且大部分時間處于長達兩個月的暑假期間，地下水水源熱泵系統的主要功能為供暖，供冷只是一項附加的功能，因此甲方z*迫切需要知道的是系統用于供暖的經濟性。根據當地能源條件，以下主要就燃煤區域鍋爐房+散熱器系統和地下水水源熱泵+風機盤管系統的供暖功能就整個35萬平方米的一期工程進行技術經濟比較。   

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    1．初投資

    燃燒區域鍋爐房+散熱器系統和地下水水源熱泵+風機盤管系統的初投資比較結果如圖一所示。

圖一系統初投資比較

  上述比較中，燃煤區域鍋爐房+散熱器系統整個校區統一設置一個區域鍋爐房，末端采用傳統的鑄鐵采暖散熱器，熱力管道直埋敷設，沒有包含熱力站和鍋爐房的土建費用和其他當地規定應收限的費用，如排放費等。地下水水源熱泵+風機盤管系統平均5萬平爐左右設一個熱力（冷凍）站，共7個熱力站，末端裝置采用風機盤管，有的建筑中還需要增加新風機組，熱力管道直埋敷設，沒有包含熱力站和土建費用和其他當地規定應收取的費用，如水資源費等。

    2．運行費用

    燃煤區域鍋爐房+散熱器系統和地下水水源熱泵+風機盤管系統的運行費用比較結果如圖二所示，后者運行費用主要由電費構成。  

圖二 系統運行費用比較

    上述比較中，燃煤區域鍋爐房+散熱器系統的運行沒有考慮可調節控制和可計量的手段和因素，仍假設所有的散熱器在供暖期間24小時運行，熱網定流量運行。

    地下水水源熱泵+風機盤管系統假定地下水和系統冷熱水都是定流量運行，每棟建筑風機盤管制運行調節規律與供暖負荷的分布情況一致，供暖負荷按穩態計算，與室外溫度分布情況一致，水源熱泵機組的使用按照60%滿負荷進行計算。由于學校建筑使用時間不一，也不可能全天運行，所有建筑的平均使用時間按每天10小時計算，供暖時間根據規范為152天。

    3．單位面積供暖成本

    燃煤區域鍋爐房+散熱器系統和地下水水源熱泵+風機盤管系統的單位面積供暖成本比較結果如圖三所示。計算中考慮到燃煤區域鍋爐房+散熱器的供暖系統的壽命為15年，地下水水源熱泵+風機盤管系統壽命也按15年考慮，所有設備按直線折舊計算。

    綜合以上比較，采用燃煤區域鍋爐房+風機盤管系統的初投資遠遠高于燃煤區域鍋爐房+風機盤管系統，前者因為同時兼有供冷供熱功能，系統造價理所當然要高，但在本工程中卻用不到供冷功能，系統初投資部分浪費，投資沒有發揮其全部功能。

    （1）地下水水源熱泵+風機盤管系統的運行費用高于燃煤區域鍋爐房+風機盤管系統，主要原因是前者所提供的熱量中有大約三分之一為優質高價的電能轉化而成（包括潛水泵耗電、熱泵機組耗電、循環泵耗電），而后者所供熱量主要由廉價的燃煤轉化而成。當地電價過高是造成前者運行費用過高的主要原因。
     

圖三 系統單位面積供暖成本比較

    （２）地下水水源熱泵+風機盤管系統和燃煤區域鍋爐房+散熱器系統是兩種不同檔次的系統，它們的使用效果和舒適性都有一定差異，所產生出的質是不一樣的，如果從性能價格比這個角度上來看，它們的差距并不象前文得出的結果那樣懸殊。   

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